(57)【要約】【課題】微細気泡を容易に発生させることができ、特に粒径がナノメートルオーダーの微細気泡を効率的に発生させるファインバブル発生器を提供する。【解決手段】ファインバブル発生器１は、円筒状の旋回室１０と、気液混合流体を導入する導入管３１と、排出する排出管３４を有し、旋回室１０は、内部に複数の円筒状の小旋回室２１〜２３を積み重ねて備え、導入管３１は、最上部の小旋回室２１の上面を貫通し、複数の小旋回室２１〜２３は、互いに接続する接続導入管３２、３３を、小旋回室２１〜２３の底面及び／又は上面を貫通するように備え、導入管３１と接続導入管３２、３３は、それぞれ下部外周に放射方向に拡大した大径部４１〜４３を備え、大径部４１〜４３には、外周壁面に１個以上の貫通孔５１〜５３が形成され、最下部の小旋回室２３には、外周壁面には１個以上の貫通孔５４が形成されている。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
液体と気体との気液混合流体からファインバブル含有流体を発生させるためのファインバブル発生器であって、
前記ファインバブル発生器は、円筒状の旋回室と、前記旋回室の上面を貫通し、略垂直下向きに前記気液混合流体を導入する導入管と、前記旋回室の上面又は側面を貫通し、略垂直上向き又は略水平方向に前記気液混合流体を排出する排出管と、を有し、
前記旋回室は、内部に複数の円筒状の小旋回室を略垂直方向に積み重ねて備え、
前記導入管は、最上部の前記小旋回室の上面を貫通し、
複数の前記小旋回室は、互いに接続する接続導入管を、前記小旋回室の底面及び／又は上面を貫通するように備え、
前記導入管と前記接続導入管は、それぞれ下部外周に放射方向に拡大した大径部を備え、
前記大径部には、外周壁面に１個以上の貫通孔が形成され、
最下部の前記小旋回室には、外周壁面に１個以上の貫通孔が形成されていることを特徴とするファインバブル発生器。
【請求項２】
請求項１に記載のファインバブル発生器であって、前記小旋回室の数は３以上であることを特徴とするファインバブル発生器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のファインバブル発生器であって、前記導入管と前記接続導入管の前記大径部の前記貫通孔及び最下部の前記小旋回室の前記貫通孔は、それぞれ外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成されることを特徴とするファインバブル発生器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のファインバブル発生器であって、前記導入管と前記接続導入管の前記大径部の貫通孔は、それぞれ前記大径部の外周壁面の下方に形成され、最下部の前記小旋回室の貫通孔は、前記小旋回室の外周壁面の上方に形成されることを特徴とするファインバブル発生器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のファインバブル発生器であって、前記導入管と前記接続導入管の前記大径部の外周壁面の貫通孔は、それぞれ前記小旋回室の外周壁面に近接する方向に形成されることを特徴とするファインバブル発生器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、ファインバブル発生器に関する。特に粒径がナノメートルオーダーの気泡を効率的に発生させるファインバブル発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細な気泡、特に気泡の粒径が１００μｍ（１０００分の１ミリ）以下の気泡はファインバブルと呼ばれている。ファインバブルの中でも粒径が1μｍを超えたものはマイクロバブル、粒径が1μｍ以下のものはウルトラファインバブルと分類されている。通常の気泡は、水中から水面へ浮かび上がった後、すぐに消えるが、マイクロバブルは、浮かび上がる前に小さくなり水中で消える。また、ウルトラファインバブルは、水中に安定的に存在するため、洗浄効果を高めるとされている。
【０００３】
ファインバブルのこのような特性は、例えば、排水溝の水質浄化などの環境分野、浴槽や排水管の洗浄改善などの産業分野、殺菌薬を使わない医療用器具等の洗浄などの医療分野において活用されている。さらに、洗浄以外でも高級食材の生産に関わる食品分野や農業分野など様々な分野で活用され、健康増進などの日常生活においても活用されている。ファインバブルの活用領域は今後も増えることが期待され、それに応じて、ファインバブルを効率的に発生させる発生器や発生装置が開発されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、気液旋回室と、その旋回室の内側面の接線方向に沿って流体を導入する流体導入口と、流体を導入する方向と略垂直方向に流体を導く気液吐出管とを備えた微細気泡発生器を備えた微細気泡発生装置が開示されている。その発明によると、発生する微細気泡を小さく（粒径がナノメートルオーダー）できるとされている。
【０００５】
また、特許文献２には、バブル発生機構と渦流発生機構を含んだファインバブル発生装置が開示されている。その発明によると、大型のポンプを必要とせず、小型かつ低コストで十分に気泡径が小さく、低い水圧及び少ない水量で所望の量の気泡密度の高いファインバブルを発生できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４５６３４９６号公報
【特許文献２】特許第６３５３９３６号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の微細気泡発生装置の微細気泡発生器は、気液旋回室が１つでシンプルな構成であるため、ポンプの種類や液体の種類によっては気液混合流体が充分に旋回されない場合が生じ得る。その場合には、粒径がナノメートルオーダーの微細気泡が発生させることが難しくなる。特許文献２のファインバブル発生装置は、バブル発生機構と渦流発生機構を含む複雑な構成であり、特にバブル発生機構が錐体、錐台の形状の場合には、製造や清掃等のメンテナンスに手間がかかる。そのため、より簡易な形状と構成で、気液混合流体が充分に旋回される構成のファインバブル発生器や発生装置が望まれている。
【０００８】
本考案は、上記課題に鑑み、簡易な構成で、微細気泡を容易に発生させることができ、特に粒径がナノメートルオーダーの微細気泡を効率的に発生させることができるファインバブル発生器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の考案は、液体と気体との気液混合流体からファインバブル含有流体を発生させるためのファインバブル発生器であって、前記ファインバブル発生器は、円筒状の旋回室と、前記旋回室の上面を貫通し、略垂直下向きに前記気液混合流体を導入する導入管と、前記旋回室の上面又は側面を貫通し、略垂直上向き又は略水平方向に前記気液混合流体を排出する排出管と、を有し、前記旋回室は、内部に複数の円筒状の小旋回室を略垂直方向に積み重ねて備え、前記導入管は、最上部の前記小旋回室の上面を貫通し、複数の前記小旋回室は、互いに接続する接続導入管を、前記小旋回室の底面及び／又は上面を貫通するように備え、前記導入管と前記接続導入管は、それぞれ下部外周に放射方向に拡大した大径部を備え、前記大径部には、外周壁面に１個以上の貫通孔が形成され、最下部の前記小旋回室には、外周壁面に１個以上の貫通孔が形成されていることを特徴とする。
請求項２に記載の考案は、請求項１に記載のファインバブル発生器であって、前記小旋回室の数は３以上であることを特徴とする。
請求項３に記載の考案は、請求項１又は２に記載のファインバブル発生器であって、前記導入管と前記接続導入管の前記大径部の前記貫通孔及び最下部の前記小旋回室の前記貫通孔は、それぞれ外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成されることを特徴とする。
請求項４に記載の考案は、請求項１〜３のいずれかに記載のファインバブル発生器であって、前記導入管と前記接続導入管の前記大径部の貫通孔は、それぞれ前記大径部の外周壁面の下方に形成され、最下部の前記小旋回室の貫通孔は、前記小旋回室の外周壁面の上方に形成されることを特徴とする。
請求項５に記載の考案は、請求項１〜４のいずれかに記載のファインバブル発生器であって、前記導入管と前記接続導入管の前記大径部の外周壁面の貫通孔は、それぞれ前記小旋回室の外周壁面に近接する方向に形成されることを特徴とする。
【考案の効果】
【００１０】
本考案のファインバブル発生器によると、微細気泡を容易に発生させることができ、特に粒径がナノメートルオーダーの微細気泡を効率的に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本考案の一実施形態におけるファインバブル発生器の概略図である。
【図２】図１のファインバブル発生器の平面図である。
【図３】図１のファインバブル発生器の底面を外した底面図である。
【図４】図１のファインバブル発生器の小旋回室の貫通孔の部分を示す説明図である。
【図５】図１のファインバブル発生器の流体の流れを示す説明図である。
【図６】図１のファインバブル発生器において発生した微細気泡の粒度分布を示す図である。
【考案を実施するための形態】
【００１２】
以下、本考案の実施形態（以下、実施例と記す）を、図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、共通する部分には同一の符号を付しており、同一符号の部分に対して重複した説明を省略する。
【００１３】
［ファインバブル発生器１の構成］
まず、本発明の一実施例に係るファインバブル発生器１の構成について、図１〜４を参照して詳しく説明する。図１はファインバブル発生器１の概略図、図２、３はそれぞれファインバブル発生器１の平面図、底面を外した底面図である。図４は、小旋回室の貫通孔の部分を示す説明図である。ファインバブル発生器１は、液体と気体との気液混合流体からファインバブル含有流体を発生させるためのものであって、円筒状の旋回室１０と、導入管３１と、排出管３４と、旋回室１０の内部に積み重ねて備えられる複数の円筒状の小旋回室２１〜２３と、小旋回室を接続する接続導入管３２、３３から構成される。
【００１４】
円筒状の旋回室１０の上面１１には、上面１１を貫通し、略垂直下向きに気液混合流体を導入する導入管３１と、上面１１又は側面（以下、外周壁面と記す）１３を貫通し、略垂直上向き又は略水平方向に気液混合流体を排出する排出管３４が備えられている。本実施例では、図１に示すように、排出管３４が上面１１に略垂直に備えられている例を説明するが、外周壁面１３に備えられていてもよい。排出管３４が上面１１に備えられる場合には、ファインバブル発生器１をコンパクトにすることができ、外周壁面１３に備えられる場合には、外周壁面１３に沿った旋回流を利用して排出させることができる。図１、図２に示すように、本実施例の導入管３１と排出管３４は、所定の間隔で略平行に備えられる。所定の間隔は、導入管３１が小旋回室２１の外周壁面に接触せず、排出管３４が旋回室１０の外周壁面１３と小旋回室２１の外周壁面に接触しない間隔である。
【００１５】
旋回室１０は、内部に複数の円筒状の小旋回室２１〜２３を略垂直方向に積み重ねて備える。本実施例では、図１に示すように旋回室１０が小旋回室を３室備えた例を説明する。小旋回室の数はこれに限定されず何室でもよいが、効率的にファインバブルを発生させるためには、３室以上が好ましい。小旋回室２１〜２３は積み重ねて備えられるため、安定して備えるためには、同じ径の円筒状であることが好ましく、また、最上部の小旋回室２１が旋回室１０の上面１１に接し、最下部の小旋回室２３が旋回室１０の底面１２に接することが好ましい。さらに、気液混合流体の旋回流を効率的に発生させるため、図３に示すように、小旋回室２１〜２３は、旋回室１０の外周壁面１３と排出管３４に接触しないように備えることが好ましい。
【００１６】
導入管３１は、最上部の小旋回室２１の上面を貫通し、小旋回室２１の外周壁面に接しない位置に配置される。導入管３１は、下部外周に放射方向に拡大した大径部４１を備え、この大径部４１が小旋回室２１の外周壁面に接しない位置で底面に配置される。この大径部４１には、外周壁面に１個以上の貫通孔５１が形成されており、導入管３１から導入された気液混合流体は、この貫通孔５１を通って、小旋回室２１に導入される。
【００１７】
複数の小旋回室２１〜２３には、互いに接続して、気液混合流体を下方の小旋回室２２、２３に導入する接続導入管３２、３３が備えられている。接続導入管３２は、小旋回室２１と小旋回室２２を接続し、小旋回室２１の底面を貫通して、小旋回室２１と小旋回室２２の外周壁面に接しない位置に配置される。導入管３１と同様に、接続導入管３２は、下部外周に放射方向に拡大した大径部４２を備え、この大径部４２が小旋回室２２の外周壁面に接しない位置で底面に配置される。この大径部４２においても、外周壁面に１個以上の貫通孔５２が形成されており、接続導入管３２から導入された気液混合流体は、この貫通孔５２を通って、小旋回室２２に導入される。
【００１８】
また、接続導入管３３は、小旋回室２２と最下部の小旋回室２３を接続し、小旋回室２２の底面を貫通して小旋回室２２と小旋回室２３の外周壁面に接しない位置に配置される。上記と同様に、接続導入管３３は、下部外周に放射方向に拡大した大径部４３を備え、この大径部４３が小旋回室２３の外周壁面に接しない位置で底面に配置される。この大径部４３においても、外周壁面に１個以上の貫通孔５３が形成されており、接続導入管３３から導入された気液混合流体は、この貫通孔５３を通って、最下部の小旋回室２３に導入される。
【００１９】
最下部の小旋回室２３には、外周壁面に１個以上の貫通孔５４が形成されており、この貫通孔５４を通って、最下部の小旋回室２３に導入された気液混合流体が、旋回室１０に導入される。導入された気液混合流体が旋回室１０を旋回しながらファインバブル含有流体となって排出管３４から排出される。
【００２０】
なお、旋回室１０の寸法は、特に限定されないが、例えば、内部の高さを１２５〜１５０ｍｍ、内径を１１０〜１２０ｍｍとすることができる。小旋回室２１〜２３の寸法に関しても特に限定されないが、例えば、小旋回室２１、２２の内部の高さを５０〜６０ｍｍ、小旋回室２３の高さ２５〜３０ｍｍ、内径をそれぞれ６０〜７０ｍｍとすることができる。
【００２１】
また、導入管３１、排出管３４、接続導入管３２、３３及び大径部４１〜４３のそれぞれの寸法に関しても特に限定されるものではないが、例えば導入管３１（大径部４１を含まず）と排出管３４、接続導入管３２、３３（大径部４２、４３を含まず）の高さを４０〜１００ｍｍ、内径を１０〜１５ｍｍとすることができる。また、大径部４１〜４３の寸法は、例えば高さを２５〜３０、内径を２０〜２５ｍｍとすることができる。
【００２２】
図１は、図の複雑化を避けるため、旋回室１０及び小旋回室２１〜２３、導入管３１、排出管３４、接続導入管３２、３３及び大径部４１〜４３の円筒壁の厚さを省略した概略図であるが、実際には円筒壁には厚さがあり、厚さは１ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜４ｍｍとすることができる。また、旋回室１０及び小旋回室２１〜２３、導入管３１、排出管３４、接続導入管３２、３３及び大径部４１〜４３の材料は、金属材料（アルミ合金、ステンレス鋼、黄銅など）や樹脂等を用いることができる。
【００２３】
なお、大径部４１〜４３の貫通孔５１〜５３と小旋回室２３の貫通孔５４は、本実施例では、それぞれ２個ずつ形成されているが、１個でもよいし、３個以上形成されていてもよい。しかし、複数個の貫通孔を分散して形成すると、気液混合流体の旋回流が発生しづらくなってしまうため、好ましくは近傍に２個の貫通孔を形成する。また、貫通孔５１〜５４の形状は特に限定されず、円や四角でもよいが、図４に示すように、外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成することが好ましい。図４は、貫通孔５１〜５４の一例として小旋回室２３の貫通孔５４の形状について示しているが、貫通孔５１〜５３に関しても同様である。貫通孔５１〜５４の内径は１ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。
【００２４】
この貫通孔５１〜５４を外周壁面の厚み方向に傾斜させることで、傾斜させた向きに気液混合流体が流れやすくなる。例えば図４の場合、気液混合流体が矢印方向に流れやすくなり、その方向へ気液混合流体を旋回させ易くなる。従って、貫通孔５１〜５４を外周壁面の厚み方向に傾斜させて形成することで、気液混合流体を小旋回室２１〜２３及び旋回室１０中で効率よく旋回させることができる。
【００２５】
また、図１に示すように、大径部４１〜４３の貫通孔５１〜５３と小旋回室２３の貫通孔５４の位置は特に限定されないが、それぞれ大径部４１〜４３の外周壁面の下方と、小旋回室２３の外周壁面の上方に形成されることが好ましい。このような位置に貫通孔５１〜５４を形成することで、気液混合流体を小旋回室２１〜２３と旋回室１０の中で旋回させやすくなる。
【００２６】
さらに、大径部４１〜４３の貫通孔５１〜５３は、それぞれ小旋回室２１〜２３の外周壁面に近接する方向に形成されることが好ましい。貫通孔５１〜５３の位置を小旋回室２１〜２３の外周壁面に近接する方向に形成することで、導入管３１と接続導入管３２，３３に導入された気液混合流体が、貫通孔５１〜５３を通過した後、すぐに小旋回室２１〜２３の外周壁面に当たり、各外周壁面に沿って流れるため、旋回流を発生させ易くなる。
【００２７】
以上説明したように、ファインバブル発生器１が構成される。本実施例のファインバブル発生器１は、各構成部が円筒状のシンプルな形状であるため、コンパクトに構成されている。本実施例のファインバブル発生器１は、後述の小型ポンプと合わせて使用するものであるが、小型ポンプと合わせても全体として場所を取らず、コンパクトに設置できるという利点があり、様々な分野で使用することがきる。
【００２８】
［動作］
以下、ファインバブル発生器１の動作について説明する。即ち、ファインバブル発生器１によるファインバブルの発生について図５を参照して説明する。図５は、図１のファインバブル発生器１の流体の流れを示す説明図である。
【００２９】
ファインバブル発生器１は、導入管３１がポンプ（図示せず）に接続されて使用される。ポンプの種類は、特に限定されないが、ファインバブル発生器１に組み込みやすく、小型で、ポンプ部の液漏れや腐食が少ないポンプが好ましい。例えば、冷却水循環、海水循環、化学液等を循環させることが可能なマグネットカップリング方式によるポンプを使用することができる。
【００３０】
また、導入管３１に導入する気液混合流体には、液体に気体が混合したもの、液体中に気体が溶け込んだものなどが含まれる。液体の例としては、水、溶媒などを挙げることができる。気体の例としては、酸素、二酸化炭素、窒素などを挙げることができる。本実施例では水と空気（酸素、窒素等）を含んだ気液混合流体を使用する。
【００３１】
ポンプで汲み上げられた気液混合流体が、勢いよく導入管３１の垂直方向下部に導入されると、導入管３１の下部の大径部４１の底面に衝突し、方向転換して大径部４１の外周壁面に沿って流れ、大径部４１の貫通孔５１の形状に沿って流れ出る。例えば図４に示すように、貫通孔５１を外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成した場合、図４の矢印方向に流れ、図５に示すように小旋回室２１の外周壁面に沿って反時計回り（平面図で）に流れ、旋回流が生じる。また、気液混合流体が大径部４１の底面や外周壁面に衝突し、貫通孔５１を通過することで、気液混合流体中の気泡が細かく粉砕される。
【００３２】
粉砕された気泡を含む気液混合流体は、小旋回室２１を旋回した後、接続導入管３２に導入され、接続導入管３２内で反時計回りに旋回しながら下方に進み、接続導入管３２の大径部４２の底面に衝突し、方向転換して大径部４２の外周壁面に沿って流れ、大径部４２の貫通孔５２から小旋回室２２に流れ出る。貫通孔５２に関しても貫通孔５１と同様に外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成すれば、反時計回りに流れ出やすくなる。図５に示すように、貫通孔５２を通過した気液混合流体は、小旋回室２２の外周壁面に沿って反時計回りに旋回する。また、粉砕された気泡を含む気液混合流体が、接続導入管３２の側面、大径部４２の底面や外周壁面に衝突し、貫通孔５２を通過することで、その中の気泡が更に細かく粉砕される。
【００３３】
更に粉砕された気泡を含む気液混合流体は、小旋回室２２を旋回した後、接続導入管３３に導入され、接続導入管３３内で反時計回りに旋回しながら下方に進み、接続導入管３３の大径部４３の底面に衝突し、方向転換して大径部４３の外周壁面に沿って流れ、大径部４３の貫通孔５３から最下部の小旋回室２３に流れ出る。貫通孔５３に関しても貫通孔５２と同様に外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成すれば、反時計回りに流れ出やすくなる。貫通孔５３を通過した気液混合流体は、小旋回室２３の外周壁面に沿って反時計回りに旋回する。また、粉砕された気泡を含む気液混合流体が、接続導入管３３の側面、大径部４３の底面や外周壁面に衝突し、貫通孔５３を通過することで、その中の気泡が更に細かく粉砕される。
【００３４】
最下部の小旋回室２３で、更に細かく粉砕された微細気泡を含む気液混合流体は、小旋回室２３を外周壁面に沿って反時計回りに旋回し、外周壁面の貫通孔５４から旋回室１０に流れ出る。貫通孔５４に関しても図４に示すように、外周壁面の厚み方向に傾斜して楕円形に形成すれば、反時計回りに流れ出やすくなり、旋回室１０で旋回流が生じやすくなる。貫通孔５４を通過した気液混合流体は、旋回室１０の外周壁面１３に沿って反時計回りに旋回する。粉砕された気泡を含む気液混合流体が、小旋回室２３の外周壁面に衝突し、貫通孔５４を通過することで、その中の気泡が更に細かく粉砕される。また、旋回室１０の外周壁面１３に衝突しながら大きく旋回することで、微細気泡が更に細かく粉砕されて、略垂直上向きに排出管３４から排出される。
【００３５】
以上のように、ファインバブル発生器１を介して、気液混合流体の気泡が繰り返し細かく粉砕されることで、微細気泡を含む気液混合流体を発生させることができる。特に、小型のポンプを使用し、少ない水量で粒径がナノメートルオーダーの気泡を効率的に、確実に発生させることができる。
【００３６】
[発生した微細気泡の粒度分布]
【００３７】
図６は、本実施例のファインバブル発生器１において発生した微細気泡の粒度分布を示す図である。具体的には１ｍＬ中の微細気泡の粒子数３．１１ｅ＋８の粒度分布を３回測定したものを示す図である。縦軸は１ｍＬ中の粒子数（ｅ＋６）を示し、横軸は、粒径（ｎｍ）を示す。図６に示すように、粒径が０〜２００ｎｍの範囲において多くの微細気泡が観察された。特に１００ｎｍ付近に多くの微細気泡が観察され、最頻値は１１１．２ｎｍである。この粒度分布のデータは、本実施例のファインバブル発生器が、ファインバブルの中でも粒径が1μｍ以下のウルトラファインバブルを発生させ、特にナノメートルオーダーの気泡を確実に発生させることを示している。
【００３８】
以上、説明してきた様に、本考案のファインバブル発生器によって、気液混合流体の気泡が繰り返し細かく粉砕されることで、容易に微細気泡を含む気液混合流体を発生させることができる。特に、小型のポンプを使用し、少ない水量で粒径がナノメートルオーダーの気泡を効率的に、確実に発生させることができる。
【００３９】
なお、上述したファインバブル発生器は一例であり、その構成は、考案の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１      ファインバブル発生器
１０    旋回室
１１    旋回室の上面
１２    旋回室の底面
１３    旋回室の側面（外周壁面）
２１〜２３    小旋回室
３１        導入管
３２、３３  接続導入管
３４        排出管
４１        導入管の大径部
４２、４３  接続導入管の大径部
５１〜５４  貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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